粉煤灰陶粒填料制备及用作曝气生物滤池填料的性能考察

李倩炜，周笑绿，李环，吴南江



粉煤灰陶粒填料制备及用作曝气生物滤池填料的性能考察

李倩炜，周笑绿，李环，吴南江

（上海电力学院环境与化学工程学院，上海 200090）

以粉煤灰为主要原料，黏土、脱水污泥、脱硫石膏等为辅料，自制了粉煤灰陶粒。通过强度性能筛选出原料的最优配比为粉煤灰∶脱水污泥∶黏土∶脱硫石膏= 85∶10.5∶0.5∶4。研究对比了自制粉煤灰陶粒与市售的陶瓷陶粒和黏土陶粒的性能，如扫描电镜、孔隙率、盐酸可溶率、比表面积等，结果显示：粉煤灰陶粒的表面粗糙度最大，孔隙率最高，比表面积最大，密度最小。进一步比较了3种陶粒用作曝气生物滤池填料处理城市污水的效果。结果表明，粉煤灰陶粒填料对COD的去除率可达到80%以上，对NH3-N的去除率可达到90%，对总磷（TP）的去除率高于80%，均明显优于其他两种市售陶粒填料。

粉煤灰陶粒；填料；废水；生物膜；曝气

曝气生物滤池（BAF）是在普通生物滤池的基础上借鉴给水滤池工艺而开发的污水处理新工 艺[1-3]。它集生物处理和泥水分离于一体，占地小、工艺简单、运行成本较低、出水水质好，非常适合我国国情。填料作为曝气生物滤池的核心组成部分，对其处理效果和运行控制极为重要，其主要性能指标包括破损率、比表面积、孔隙率、表面粗糙 度等[4]。

粉煤灰是以二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁、氧化钙和氧化镁等为主要成分的固体物，其质轻、颗粒细小、表面疏松多孔、水处理性能优良。粉煤灰陶粒是以粉煤灰为主要原料，掺加少量辅料经高温焙烧而制成的一种成型材料，最早作为建材领域的轻骨料使用，近些年有被引入水处理领域作为生物填料的报道，展示出良好的应用前景[5-7]。本研究以粉煤灰为主要原料，辅以少量黏土、脱水污泥和脱硫石膏自制了粉煤灰陶粒填料，测定了它的性能和污水处理能力，并与市售两种陶粒进行了 对比。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

（1）粉煤灰陶粒原料

粉煤灰：取自上海某发电厂灰场。将粉煤灰烘干、粉碎，过40目筛后使用，其主要无机成分见表1。脱水污泥：取自上海某城市污水厂脱水车间，其主要无机成分见表1。黏土：取自上海某建筑工地。脱硫石膏：取自上海某发电厂脱硫车间。

表1 粉煤灰和脱水污泥主要无机成分（质量分数）

（2）实验用水：污水处理实验用水取自上海某城市污水厂初沉池出水，其水质情况见表2。

表2 上海某城市污水厂初沉池出水水质

1.2 实验方法

（1）粉煤灰陶粒制备 将原料按照表3所示配方进行配比、混合，制成粒径为6～8mm的颗粒，放入105℃干燥箱内干燥1.5h后取出，置于程控箱式电炉中，300℃下预热20min，再在900℃下焙烧18min，自然冷却后取出，即得到粉煤灰陶粒填料。通过比较5组陶粒的强度，确定粉煤灰陶粒填料的配比。

（2）陶粒性能表征 根据“CJ-T299—2008水处理用人工陶粒滤料标准”[8]，分别对粉煤灰陶粒、市售陶瓷陶粒和黏土陶粒的空隙率、比表面积、堆积密度、表观密度、破损率与磨损率、盐酸可溶率等性能指标进行了测试，并利用扫描电镜（SEM）对其表面形态进行了测试和分析对比。

（3）利用陶粒填料处理城市污水 试验装置（曝气生物滤池）采用有机玻璃柱，内径100mm，外径110mm，柱高500mm，填料层有效高度200mm，布水区高度100mm。将自制粉煤灰陶粒填料、市售陶瓷陶粒填料、黏土陶粒填料分别填装到3个相同尺寸的曝气生物滤池反应器中，在温度22℃，溶解氧浓度4～5mg/L，pH=7～8 的条件下进行挂膜和污水处理试验。水流采用下向流方式，挂膜期首先将等量接种活性污泥投加到3个反应器中，前3天间歇运行，加入生活污水后进行闷曝，24h后停止曝气，静置、排出上清液；第4天开始连续运行，HRT为5h。挂膜成功后开始正式运行。期间不间断测试进、出水水质；指标有COD、氨氮和总磷（TP）等。此外，运行中还需镜检观测生物膜上的生物相，经常测定DO、pH值、温度等。

2 结果与讨论

2.1 粉煤灰陶粒配方确定

按照表3配方制备的粉煤灰陶粒，其中第1、2、5组陶粒经烧制后掉沫较为严重，极易破碎，强度较低，达不到水处理填料的标准；符合要求的是第3、4组，再比较两组陶粒的配方，第4组陶粒中粉煤灰质量比更高，为85%，更容易满足作为水处理材料孔隙性好、质轻的要求，因此确定第4组粉煤灰陶粒（粉煤灰∶脱水污泥∶黏土∶石膏= 85∶10.5∶0.5∶4）为最优。

表3　5组粉煤灰陶粒配方及强度

2.2 陶粒性能表征

（1）SEM图像分析 对自制粉煤灰陶粒、市售的陶瓷陶粒以及黏土陶粒的表面进行了扫描电镜成像，见图1。对比图1中3个图可以看出，3种陶粒中，粉煤灰陶粒的表面粗糙程度最强，孔隙性也最好；其次是黏土陶粒，而陶瓷陶粒的表面较光滑，几乎看不到有孔隙存在。一般来说，陶粒表面越粗糙孔隙性越好，生物附着性越好，微生物量越丰富，生物处理效果越佳。

图1 3种陶粒SEM成像

（2）陶粒性能测试 分别对3种陶粒进行了破损率与磨损率、盐酸可溶率、堆积密度、表观密度、空隙率、比表面积等水处理材料性能测试，结果见表4。

①空隙率和比表面积：粉煤灰陶粒的空隙率和比表面积均高于两种市售陶粒，比表面积值的顺序从大到小依次为：粉煤灰陶粒＞黏土陶粒＞陶瓷陶粒；而且粉煤灰陶粒在比表面积上较两种市售陶粒有明显的优势。

②堆积密度和表观密度：粉煤灰陶粒属于人造轻骨料[9]，堆积密度和表观密度均低于两种市售 陶粒。

③破损率与磨损率之和：自制粉煤灰陶粒的破损率与磨损率之和较陶瓷陶粒与黏土陶粒的大，但可满足水处理用陶粒填料的标准要求，因为陶瓷和黏土陶粒表面更坚硬，摩擦受损率也很低；而粉煤灰陶粒的孔隙性较好，而耐摩擦系数不及两种市售陶粒。

④盐酸可溶率：粉煤灰陶粒的盐酸可溶率大于两种市售陶粒，这是因为粉煤灰中含有较多的硅、铝及可溶于酸的氧化物所致，但均符合水处理用陶粒标准的要求。综上可知，粉煤灰陶粒密度低、孔隙率高、材质轻，完全满足水处理人工陶粒填料的应用要求。

2.3 粉煤灰陶粒填料处理城市污水

（1）3种陶粒对COD和去除效果 3种陶粒填料对COD的去除效果见图2。由图2可见，自制粉煤灰陶粒COD去除率始终优于两种市售陶粒，而且去除效果比较稳定，自制粉煤灰陶粒COD去除率在75%～90%；其次是黏土陶粒，去除率在70%～85%；陶瓷陶粒的COD去除效果最不稳定，60%～80%不等。这是因为粉煤灰陶粒表面粗糙，孔隙性好，有利于微生物附着生长，同等比表面积上微生物数量更丰富，所以可以取得更好的去除效果，黏土陶粒的去除效果优于陶瓷陶粒也说明了这一点。

（2）3种陶粒对NH3-N的去除效果 3种陶粒对NH3-N的去除效果见图3。由图3可知，3种陶粒对NH3-N的去除效果都很好，都在80%以上。其中粉煤灰填料的NH3-N去除率最高，在92%以上，而且比较稳定；黏土陶粒继后，陶瓷陶粒相对较差，而且去除率起伏较大，不够平稳。这与3种陶粒所显示的表面形态特征和性能特征、所对应的水处理性能是一致的。

（3）3种陶粒对TP的去除效果 3种陶粒填料对TP的去除效果见图4。由图4可知，粉煤灰陶粒对TP的去除率大大优于两种市售陶粒，之间的悬殊有50%左右。粉煤灰陶粒对TP的去除率一直保持在68%～85%，两种市售陶粒对TP的去除率在10%～30%波动。分析原因，粉煤灰陶粒对总磷的去除除了生物反应外，还存在着化学反应，这与粉煤灰陶粒的成分中添加的石膏（CaSO4）有直接的关系，硫酸钙对磷的去除起到了重要作用，硫酸钙与水中的磷可以生成磷酸钙沉淀，使水中的磷减少。即粉煤灰陶粒产生的化学除磷功能提升了除磷能力。因此，粉煤灰陶粒对城市污水中磷的去除实际上是生物除磷和化学除磷两种方式综合的结果。

3 结 论

（1）利用配比为：粉煤灰∶脱水污泥∶黏土∶脱硫石膏=85∶10.5∶0.5∶4制得的粉煤灰陶粒作为污水处理填料可行。

（2）通过对自制粉煤灰陶粒、市售陶瓷陶粒和黏土陶粒进行扫描电镜、孔隙率、盐酸可溶率、比表面积等性能测试和对比发现，粉煤灰陶粒的表面粗糙程度最强，空隙率最高，比表面积最大，密度最小；虽然在破损率与磨损率之和与盐酸可溶率两指标上不及两种市售陶粒，但已完全满足“CJ-T299—2008水处理用人工陶粒滤料标准”要求，具备优良的水处理性能。

（3）将3种陶粒分别用作曝气生物滤池填料处理城市污水，分别对COD、NH3-N和总磷进行了测试，结果显示：自制粉煤灰陶粒对COD的去除率始终优于两种市售陶粒，在75%～90%，较黏土陶粒和陶瓷陶粒高出10～15个百分点，而且去除效果比较稳定；3种陶粒对NH3-N的去除效果都较好，在80%以上，粉煤灰填料对NH3-N的去除率最高，在92%以上且比较平稳；粉煤灰陶粒对TP的去除率大大优于两种市售陶粒，之间的悬殊约有50%。

（4）粉煤灰陶粒对城市污水中磷的去除是生物除磷和化学除磷两种方式综合的结果。

[1] Qiu L，Ma J， Zhang L．Characteristics and utilization of biologically aerated filter backwashed sludge[J]．，2007，208（1）：73-80．

[2] 郭训文，汪晓军，林旭龙．曝气生物滤池处理含氰废水的启动性能及污染物去除特性[J]. 化工进展，2013，32（1）：222-226．

[3] 陈建发，林诚，刘福权，等．臭氧预处理+絮凝沉淀+BAF组合工艺在二级生化处理出水深度处理的应用[J]. 化工进展，2014，33（6）：1601-1606．

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[8] CJ-T299—2008，水处理用人工陶粒滤料标准[S]. 北京：中国标准出版社，2009.

[9] 毕东苏，王春杰．粉煤灰陶粒在污水处理中的应用进展[J]. 功能材料，2007，38（s1）：3346-3348.

Research on the preparation of fly ash ceramisite as filler of BAF and its performance in wastewater treatment

，，，

（College of Environmental and Chemical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China）

The fly ash ceramisite was prepared with fly ash as the raw material and clay，dewatered sludge and desulfurized gypsum as auxiliary materials. Based on the strength testing，the optimal weight ratio of fly ash∶dewatered sludge∶clay∶desulfurized gypsum is 85∶10.5∶0.5∶4. Compared with commercial ceramic ceramisite and clay ceramisite，fly ash ceramisite has higher surface roughness，porosity，specific surface area and lower density，based on the test of porosity，hydrochloric acid soluble rate，specific surface area and SEM. The effect of fly ash ceramisite on wastewater treatment was compared with ceramic ceramisite and clay ceramisite，with the biological aerated filter (BAF) as the filler material. The result shows that：the removal rate of COD by fly ash ceramisite can reach 80%，the removal rate of ammonia even reaches 90%，and the removal rate of total phosphorus is above 80%. The effect of fly ash ceramisite on wastewater treatment is better than that of commercial ceramic ceramisite and clay ceramisite.

fly ash ceramisite; filler; wastewater; biofilm; aeration

X 703.1

A

1000–6613（2015）09–3379–04

10.16085/j.issn.1000-6613.2015.09.027

2014-12-10；修改稿日期：2015-03-12。

李倩炜（1990—），女，硕士研究生，主要从事污水处理方面的研究。E-maillqwlhb@163.com。联系人：周笑绿，硕士，教授，主要研究方向为水污染控制、环境管理。E-mail xluzhou@163.com。